Эколого-мелиоративные мероприятия и моделирование переноса засоленных почв

При орошении земель в аридной зоне одним из обязательных элементов поддержания водно-солевого баланса является промывка почвы. В настоящее время для различных почв рассчитаны и рекомендованы промывные нормы. Однако эти расчеты базируются главным образом на экспериментальных данных. Для повышения эффективности промывки, а также экономии поливной воды необходимо исследовать механизм рассоления почвы при их промывании. В данной работе предлагается метод расчета скорости и степени опреснения почв на основе анализа движения частиц соли. При этом основным расчетным элементом является скорость и дальность пробега частицы соли в растворе. Данный метод позволяет обосновать и определить технологию тактовых промывок засоленных почв.

В основу моделирования было положено основное уравнение солепереноса с расчетом входящих в него коэффициентов по фактическим данным. В результате были получены значения нетто промывной нормы на засоленных землях в зависимости от физико-химических свойств почв исследуемого массива.

Введения

Борьба с засолением почв одна из основных задач, которая включает в себя систему различных мероприятий. Оптимальное планирование мелиоративных мероприятий возможно только при изучении водно-солевого и пищевого режима почвогрунтов с целью его прогноза. Одним их эффективных методов составления такого прогноза является метод математического моделирования на основе уравнении гидродинамики почвенной среды.  Уравнения  модели,  вводимые  ограничения    позволяют  имитировать поведение объекта в различных условиях. Меняя параметры модели - геометрию исследуемых объектов, гидрофизические параметры, неравномерность исследуемых процессов и т.д., можно производить разнообразные эксперименты, изучать, как при этом изменяются свойства моделируемого объекта. Кроме того, результаты моделирования можно сопоставлять с натурными измерениями объекта в наиболее характерных его точках.

Целью создания условий для улучшения почвообразовательного процесса обеспечивающих возможность расширенного воспроизводства плодородия почв в процессе геоэкосистеме. Для этого необходимо сохранять автоморфный режим почвообразования, грунтовые воды поддерживать на достаточно большой глубине, чтобы предупредить возможность вторичного засоления почв при минимальных затратах поливной воды.

Основной задачей промывки засоленных почв является рассоление корнеобитаемого слоя минимальным количеством воды. Промывка почв излишней промывной нормой может снизить их плодородие и ухудшить мелиоративно-экологические состояние изучаемого массива орошения.

На сильнозасоленных орошаемых землях и солончаках при разработке комплекса мелиоративных мероприятий (орошение, промывка, рыхление и внесение удобрений), в том числе промывок засоленных земель, в зависимости от типа, степени засоления и свойства токсичных солей, глубокое рыхление предусматривают на максимального возможную глубину - 1,0 м и более. Применение глубокого рыхления при промывках сильнозасоленных земель, приводит не только к улучшению структуры почв, но и обеспечивает существенное увеличение их влагозапаса перед посевом. Нашими исследованиями установлено, что запас влаги при глубоком рыхлении (сплошном и по полосам) увеличивается до 800... 1200м3/га, расстояние между отдельными полосами принимается: для тяжелосуглинистых 0,5...1,0 м; для среднесуглинистых почв уменьшилась в 2,0...2,5 раза, что повысило водопоглощающую способность почвы [1-2].

Рекомендуемая разработка технологии являются восстановление засоленных и осолонцованных уплотненных почв на основе глубокого (Рг-0,8-1,0 м) рыхления на фоне временного дренажа глуиной (0,8-1,0м) и химических мелиорантов.

Материалы и методы исследований Основными методами регулирования гидрохимического режима являются воздействия на уровень грунтовых вод различными мероприятиями (орошение, промывка, рыхления почв на фоне дренажа).  На формирование водно-солевого, теплового и пищевого режимов в расчетном слое почвогрунта непосредственно влияют водно-физические и физико-химические процессы. Это обусловлено тем, что в результате орошения и промывки с применением дренажа резко изменяются условия формирования приходных и расходных элементов водно- солевого баланса, запасов солей, скорости инфильтрации, изменения передвижения влаги, испарения, оттока грунтовых вод и другие.

При изучении механизма переноса солей, правильного регулирования водно- солевого и пищевого режимов, необходимо определить слеудющие значения-растворение солей, выщелачивание пород, испарение почв и грунтовых вод, конвективную диффузию, перенос солей с фильтрационным потоком, ионно-солевое равновесие в системе раствор- твердая фаза, вытеснение поровых растворов и т.д.

Основными параметрами систематического горизонтального дренажа являются расстояния между дренами, положение УГВ после осушения, напор между дренами, приток грунтовых вод к определяются по формуле. [1-2]:

 

 

Q = k × 4h 2 × l × t / R

 

(1)

 

где Q-сток воды к дрене, м3; k-коэффициент фильтрации, м/сут; h-напор грунтовых вод между дренмаи, м; l-длина дрены, м; t-продолжительность промывки, сут; R- расстояние между дренами, м.

Приток воды к дрене с гектара за единицу времени по следующему выражению:

Q

q      0        

 

0   =

 

(2)

 

 

0

 

где  q  -модуль дренажного стока при данном напоре грунтовых вод, м3/га.

Тогда при известной величине фактической скорости движения воды Vф почвогрунта, легко можно определить нетто промывной нормы засоленных почв по слеудующей формуле:

 

Q0VÔ

Níò    =                                              (3)

q0

 

Где

 

Níò

 

промывная норма (нетто), м3/га; Vф-скорость фильтрации в   насыщенных

 

слоях, м/сут.

Соответственно для каждого вида полива и промывок были разработаны способы предупреждения накопления токсичных веществ. При рассматриваемых видах полива необходимо прежде всего учитывать запасы влаги в корнеобитаемом слое, проводить высев определенных культур. Наибольший эффект предлагаемых мероприятий будет достигнут, если-эколого-мелиоративные мероприятия проводить на фоне глубокого рыхления.

При разработке эколого-мелиоративных мероприятий учитывались такие факторы как эффективность промывок засоленных почв находится в прямом зависимости от подготовки почвы и особенно от глубины и способа вспашки. Промывные нормы засоленных почв является одним из основных почвенно-экологических и агротехнических мероприятий, обеспечивающих повышения сельскохозяйственных культур. Поэтому, оптимальное установление нормы, тактности промывных поливов и способы подготовки почвы к проведению промывных поливов на засоленных землях имеет большое практическое значение в повышении уражайности сельскохозяйственных культур и улучшения экологического состояния орошаемых геосистемах.

Результаты исследований Рассмотрим задачу расслоения точки почвогрунта мощностью l, подстилаемой хорошо проницаемым слоем на нижней границе. При этом предположим, что в промываемом слое быстро устанавливается равновесный массообмен между скелетом почвогрунта и почвенным раствором.

В этом случае при переменной во времени скорости фильтрации движение инфильтрационных вод с солями и массообмен описывается следующим одномерным дифференциальным уравнением в частных производных [3-6] :

 

 

m   дс д

 

D * дс + V (t) дс = 0

 

{0 £ t £ T,0 £ x £ L}

 

(4)

 

э  дt     дх        дх            дх

 

где С (t.x) – концентрация солей в почвенном растворе, г/л; mэ – эффективная пористость;

Г – коэффицент Генри, учитывающий адсорбцию солей в почвогрунте; D* - коэффицент конвективной диффузии;

V(t) – скорость фильтрации, м/сут.

 

В     случае    засоления    верхних    слоев    мелиорируемой    толщи       при    испарении минерализованных грунтовых вод краевые условия могут быть взяты в следующим виде:

 

 

 

UC (0,t) +D*

 

дС ( 0 , t )  = 0

дх

 

c(L,t)=C*(t)                        (5)

 

где С* - минерализация грунтовых вод;

Рассмотрим совместного движения воды и солей при полном насыщении почвогрунтов. Для этого рассмотрим уравнения движения солей [2-3];

 

 

дС V (t) дС д

 

D * дс = n(c


  • c)

 

(6)

 

дt              дх     дх       дх          m

 

где Сm – предельная концентрация насыщения;

h - коэффициент растворения, l/сут;

 

На практике допускает V=V0/mэ. При хорошо растворимых слоях и малом их содержании в твердой фазе уравнение (6) переходит в формулу (3).

Рассмотрим  условия  засоления  почвы.  Для  этого  рассмотрим  базовое  уравнение

(3),т.е.

 

 

m    дС

 

  •  д

 

D * ¶ + V (t ) ¶ C   = 0

 

 

в области G = {[0, L]x[0,t]}.

 

э    дt        дх           x             x

 

Рассмотрим обратный процесс-процесс рассоления в том числе при подаче воды на поверхность почвы. Примем, что исходное засоление перед промывкой близко к предельному:

 

 

С 0  = Сm

 

при t  =

 

(7)

 

 

 

При   поступлении   пресной   воды   с   концентрацией

 

С2  - С0   < 0

 

со   скоростью

 

V(t) будет происходит вытеснение засоленного раствора. При этом движение солей может

 

быть описано уравнением (6) при условии краевые условия:

 

Сm   = C0

 

и  примем  следующие  начальные и

 

 

 

С

t -t0

dC

 

= C0 (x),

 

x Î(0, L),

 

(8)

 

|x=L = 0,

dx

 

t Î(0,T ),

 

(9)

 

C |x=0 = C2 (x),

 

t Î(0.T )

 

(10)

 

 

Условия (8) – (10) предполагают, что расслоение мелиорируемой толщи L на поверхности почвы концентрация мгновенно уменьшаются с С0 до С2 и остается постоянной.

Уравнения (3) с краевыми условиями (8) – (10) нелинейное и требует численное решение. Для численного решение уравнения (6) применяем неявный конечно – разностный метод [1,5]. Использование неявных схем для уравнения переноса и диффузии

 

более эффективно, поскольку для них не требуется выполнения условия устойчивости Куранта [5]:

 

 

S<0,5,          S= D*   Dt  

Dx 2

 

или С=V

 

 Dt .

Dx

 

 

 

Сn+1  - Cn

 

éCn


  • Cn

 

Cn+1 - Cn+1 ù            2

 

ú

 

     i                     i    + 0,5V n ê 

 

Dt                    ë

 

2Dx

 

2Dx

 

û    Dxk   + Dxk +1

 

é D *

 

(C n - C n )   D *

 

(C n


  • C n

 

         2         é D*

 

(C n+1 - C n+1 )ù

 

хê       k +1 / 2           i

 

i-1    -

 

k +1 / 2

 

i+1

 

i     ú +

 

k +1 / 2         i

ê

 

i-1

ú

 

ë           Dxk +1

 

Dxk

 

û     Dxk   + Dxk -1  ë

 

Dxk -1

 

û

(11)

 

é Dk   1 / 2 (Ci  1


  • Ci

 

)ù - 

 

) = 0

 

*

- ê     -

 

n+1

+

 

n+1

i

 

m

 

ú    h      +

 

ë            Dxk                           û

 

 

 

 

Определение промывных норм.

 

 

Коэф фи циент фильтра ции

Kф м/сут

Напор воды h,м

Плот ность почвы

γ,т/м3

Актив ная пористос ть, в долях Пa

Наймень шая влаго- емкость βНВ, %

Длина дрены l

Пло щадь нетто, ωНТ,га

Подача воды Nв,м3/га

Про- должи тель ность промы вки t,сут

Расстоя ния между дренами R,м

Сток воды, Q0, м3

Приток воды

q0, м3/сут

Норма насы шения NН,

м3/га

Ско рость филь трации VН,

м/сут

Расчет промыв ной нормы N

2,5

0,03

1,45

0,32

18

400

100

4000

58

300

0,696

0,012

2610

0,014

0,81

2,0

0,05

1,44

0,33

20

400

100

5000

72

200

1,512

0,021

2880

0,012

0,87

1,5

0,1

1,43

0,35

21

400

100

6000

72

180

9,6

0,133

3003

0,0119

0,86

1,0

0,20

1,42

0,37

23

400

100

7000

84

150

35,84

0,427

3266

0,0105

0,88

0,8

0,3

1,42

0,38

24

400

100

8000

96

120

92,2

0,96

3408

0,0093

0,90

0,5

0,4

1,40

0,38

25

400

100

9000

100

100

128

1,28

3500

0,0092

0,92

0,3

0,45

1,33

0,39

26

400

100

10000

104

80

126,4

1,22

3614

0,0089

0,923

0,1

0,5

1,40

0,41

27

400

100

12000

124

50

99,2

0,8

3780

0,0079

0,98

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

99

 

Полученное разложения (11) в ряд Тейлора в окрестности узла (i,n) показывает,   что

 

этот алгоритм аппроксимирует уравнение (6) с погрешностью порядка 0(Dt 2 , Dx 2 )

шаги по времени и по пространству.

 

Dt, Dx -

 

Математическая модель переноса ионов и катионного обмена представляет собой систему уравнений каждое из которых для отдельного иона. Например, упрощенная система уравнении переноса катионов - одновалентного Na+ и двухвалентного Ca2+ имеет вид [3,5]:

 

 

m    дС 1     =

1       дt

 

div  ( D *

 

 

grad

 

C 1 ) -

 

дN  1  ,

дt

 

(12)

 

 

 

m  дС2

2     дt

 

= div(D *

 

 

grad

 

C2 ) - div(VC2

 

) - дN 2 ,

дt

 

(13)

 

 

где N1, N2 – содержание иона в обменном комплексе;

Для изучения процессов осолонцевания почв, приводящего к изменению катионого состава, используется изотерма Никольского-Кера для случая взаимодействия двух разновалентных ионов [3-7,8-10]:

 

 

1

 

1/ n

æ      ö

 

1/ n

2

 

æ       ö

 

ç      ÷

 

ç       ÷

 

= K

 

N1                                               N 2

C

 

C

 

ç      ÷              1-2 ç      ÷      ,

1                                                    2

 

(14)

 

è      ø                  è       ø

 

 

 

 

 

[3,5,8]:

 

где К1-2- константа обмена; nі-валентность.

Изотермы имеют линейный вид и хорошо описываются уранением вида

 

 

К1N1N2-1/2=K2C1C2-1/2,                (15)

 

 

Значения коэффициентов К1и К2 изменяются в зависимости от типа почв и с увеличением содержания гумуса К1и К2 возрастают.

Задача обменной сорбции двух одно-и двухвалентных катионов в почве с мощностью L при промывке математически описывается в одномерном варианте (9)-(10) [5,13]:

 

 

 

2

 

m  дС1

 

= D *   д

 

С1   - дVC1   - дN1

 

(16)

 

1    дt

 

1       дх 2                 дх        дt

 

 

 

m  дС2           D

 

д С2

 

дVC 2

 

дN 2

 

2

 

2      дt   =

 

1 *  дх 2

 

-           -

дх         дt

 

(17)

 

 

 

N  N -0,5  - K

 

= K  C C -0,5 ;

 

N1+ N2=N0 (x ),   (18)

 

1       2                      1

 

2     1    2

 

 

1

 

0

 

Уравнения (16) – (17)  решаются при следующих краевых и начальных условиях:

 

 

1

 

С1  |t =t  = C10 ( x);

 

C2  |t =t  = C20 ( x);

 

N1  |t =t

 

= N10 ( x);

 

(19)

 

DдС1

1    дх

 

= (С1 - С1n )V (t);

 

DдС2

2    дх

 

= (С2  - С2n )V (t) при  х=0, t>0.         (20)

 

 

 

дС1   = 0,

дх

 

дС2   = 0

дх

 

при  х=L,        t>0.                                                  (21)

 

 

где C1N1 – концентрации катионов одновалентного и двухвалентного соединения в почвенном растворе и почвенно – поглощающем комплексе;

C10,N10 – тоже в начальный момент времени: С1n – концентрация ионов в промывной воде; N0(x) - объемная емкость.

Обсуждение

По технологической схеме промывок сначала промывные нормы были поданы следующими объемами: 7000-8000 и 10000м3/га. Далее расчетные промывные нормы зависят от скорости фильтрации промывной воды и в свою очередь они могут быть различными в зависимости от коэффициентов фильтрации почвогрунтов, с учетом параметров дренажных сетей, на которых производятся промывка засоленных почв.

Однако, необходимо учитывать водно-физические свойства почв, геологические и гидрогеологические условия местности, степень и химизм засоленных почвгрунтов, механизм передвижения воды и солей, изучаемых расчетных слоев почв.

Таким образом, результаты расчетов показывают, что промывные нормы зависят, прежде всего, механического состава почвогрунтов (плотности, плотности твердой фазы, порозности, кэффициентов фильтрации почвогрунтов), параметров проектируемого и исследуемого дренажа. Для правильного регулирования водного, воздушного и солевого режимов почвогрунтов необходимо определить скорость фильтрации промывной воды и, соответственно, оптимально выбрать расстояние между открытым временным дренажом. Если почвы уплотненные или плохо водопроницаемые, тогда необходимо выбрать временный дренаж на фоне глубокого рыхления (на глубину 0,8...-1,0 м), обеспечивающего вынос растворимых солей и доступ воздуха в расчетный слой почвогрунта. В расчетах промывные нормы колеблются в пределах от 8150 до 9800 м3/га в течение 58-124 суток, что гораздо менше норм промывки, предложенных другими ученными, а также в 1,5-1,8 раза меньше используется затраты воды для промывки расчетного слоя почвогрунта.

 

 

  1. Сейітқазиев Ə.С. Суғармалы геоэкожүйедегі тұзданған топырақтың су-тұз алмасуы., Тараз, 2010,-294 б.
  2. Сейтқазиев Ə.С., Мұзбаева Қ.М., Салыбаев С.Ж. Топырақтың тозуындағы су-тұз жəне жылу алмасуларды модельдеу., Тараз, 2011, -326 б.
  3. Айдарова И.П. Регулирование водно-солевого и питательного режимов орошаемых земель. М., Агропромиздат, 1985, -304 с.
  4. Веригин Н.Н. и др. Методы прогноза солевого режима грунтовых вод и грунтов. М., Колос, 1979, -336 с.
  5. Файбишенко Б.А. Закономерности и модели водной миграции ионов в почвах аридной и семиаридных областей //Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук, М., 1987, -32 с.
  6. Аверьянов С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель. М., Колос, 1978, -287 с.
  7. Пачепский Я.А., Пачепская Л.Б., Мироненко Е.В. К проблеме прогноза динамики влаги и солей в почвах и грунтах орошаемых территорий //Имитационное моделирование и экология. М., Наука, С. 51-59.
  8. Веригин Н.Н. О кинетике растворения и выноса солей при фильтрации воды в грунтах //Растворение и выщелачивания горных пород, М., Госстройиздат, 1957, С. 84-113.
  9. Кавокин Н.А. Моделирование зависимости промывной нормы от толщины промываемого слоя //Повышение плодородия почв Казахстана, Алма-Ата, Наука, 1984, С. 142-145.
  10. Пеньковский В.И., Эмих В.Н. Математические модели массопереноса в мелиорируемых почвогрунтах //Моделирование почвенных процессов. Пущино, 1985, С. 66-76.
  11. Делов В.М. Экспериментальные определения коэффициента диффузии солей в почве //Генезис и мелиорация засоленных почв Казахстана, Алма-Ата, Наука, С. 20-24.
  12. Николаенко А.Н. Моделирование и определение параметров физико-химических процессов в почвогрунтах для мелиоративных прогнозов //Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1983, -18 с.
  13. Бекбаев Р.К. Почвенно-экологические процессы и методы их регулирования на орошаемых экосистемах Казахстана. //дисс.соискание докт.техн.наук., Тараз, 2006,- 262 с.

 

Год: 2012
Город: Алматы
Получить доступ
Чтобы скачать её, вам необходимо зарегистрироваться.